Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
IGE-XAO
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Postępy optyki dają szansę na sensory i komputery kwantowe

ghost666 17 Sie 2019 19:19 672 0
  • Postępy optyki dają szansę na sensory i komputery kwantowe
    Chociaż często słyszymy o ograniczeniach w przesuwaniu granic technologii wytwarzania półprzewodników, aby sprostać potrzebom coraz wyższych poziomów wydajności obliczeniowej powstać musi jakaś nowa technologia. Obwody optyczne ewoluują obecnie jako jeden z potencjalnych kandydatów, którzy mogliby sprostać temu wyzwaniu.

    W ostatnim czasie dwie grup badawcze zaprezentowały swoje najnowsze osiągnięcia w tym zakresie.Jedna z nich pracuje na Politechnice w Monachium - ta praca może utorować drogę czujnikom i tranzystorom kwantowym. Z kolei druga praca pochodzi z Uniwersytetu Stanforda i skupia się nad diodami fotonicznymi. Wyniki tych prac mogą wpływać na rozwój obliczeń neuromorficznych za pomocą komponentów wykorzystujących światło zamiast elektronów do pracy.

    Chociaż oba rozwiązania są wciąż bardzo głęboko w fazie badań podstawowych, myślę, warto podkreślić że te badania niebawem znaleźć mogą się na etapie pierwszych wdrożeń. Warto jest spojrzeć na tego rodzaju prace, aby zobaczyć, gdzie moglibyśmy potencjalnie uzyskać zwiększenie wydajności obliczeniowej komputerów na potrzeby wielu aplikacji, w tym systemów sztucznej inteligencji (AI).

    Kwantowe źródła światła prowadzące do czujników kwantowych i tranzystorów

    Grupie fizyków z Niemiec, USA i Japonii pod przewodnictwem Politechniki w Monachium (TUM) udało się stworzyć kwantowe źródła światła, które torują drogę obwodom optycznym. Dzięki precyzyjnemu umieszczeniu źródeł światła w atomowo cienkich warstwach materiału z dokładnością zaledwie kilku nanometrów możliwe jest stworzenie wielu nowatorskich elementów kwantowych. W ten sposób zbudować można układy od czujników i tranzystorów kwantowych w smartfonach po zupełnie nowe technologie do wykorzystania do szyfrowania danych.

    Zamiast obwodów opartych na elektronach w chipach, zastosować można kwanty światła - fotony - do przesyłania informacji z prędkością światła. Tak działać miałyby obwody optyczne. Źródła światła są następnie łączone za pomocą mikroskopijnych światłowodów. Podstawę konstrukcji tych systemów stanowić mają detektory. "To pierwszy, kluczowy krok w kierunku optycznych komputerów kwantowych" twierdzi Julian Klein, główny autor publikacji z TUM. "Ponieważ w przyszłych zastosowaniach źródła światła muszą być sprzężone z obwodami fotonicznymi, na przykład z pomocą falowodów, aby umożliwić obliczenia kwantowe oparte na świetle. Możliwe jest bardzo eleganckie zintegrowanie naszych kwantowych źródeł światła z obwodami fotonicznymi" podsumował Klein.

    Krytycznym punktem jest tutaj dokładne i precyzyjnie kontrolowane pozycji źródeł światła. Możliwe jest tworzenie kwantowych źródeł światła w konwencjonalnych trójwymiarowych materiałach, takich jak diament lub krzem, ale nie można ich precyzyjnie umieścić w ich strukturze.

    Jak wyjaśniono w artykule w Nature Communications, fizycy wykorzystali warstwę półprzewodnika - dwusiarczku molibdenu (MoS2) jako materiał wyjściowy. Wykorzystano monowarstwę tego kryształu, o grubości zaledwie trzech atomów. Następnie naświetlano go wiązką jonów helu, skupioną na powierzchni mniejszej niż jeden nanometr. Aby wygenerować w ten sposób optycznie aktywne defekty - pożądane kwantowe źródła światła - atomy molibdenu lub siarki były precyzyjnie wybijane ze swojej pozycji w monowarstwie. Defekty te są pułapkami dla ekscytonów (par elektron-dziura), które złapane rekombinują i emitują pożądane fotony.

    Kluczowym elementem wyposażenia w tym procesie był nowy mikroskop jonowy, znajdujący się w Centrum Nanotechnologii i Nanomateriałów Instytutu Waltera Schottkiego, który może być wykorzystywany do napromieniowania tego materiału z ogromną rozdzielczością przestrzenną.

    Wraz z teoretykami z TUM, Towarzystwa Maxa Plancka i Uniwersytetu w Bremie zespół opracował model teoretyczny opisujący stany energetyczne obserwowane w tych defektach. W przyszłości chcą oni także tworzyć bardziej złożone wzory ze źródeł światła, na przykład w w wielowarstwowych, dwuwymiarowych strukturach, aby badać również zjawiska wieloekscytonowe lub właściwości bardziej egzotycznych materiałów.

    Wraz z naukowcami z Politechniki w Monachium, naukowcami z Instytutu Optyki Kwantowej z instytutu Maxa Plancka w Garching i Uniwersytetu w Bremie zaangażowani wprojekt byli też badacze z Stanowego instytutu Nowego Jorku w Buffalo w USA i National Institute for Materials Science z Tsukuba w Japonii.

    Diody fotoniczne umożliwiające obliczenia nowej generacji

    W tym samym czasie naukowcy z Uniwersytetu Stanforda opracowali nanoskalową diodę fotoniczną, która może przybliżyć nas do stworzenia szybszych, bardziej energooszczędnych komputerów i systemów komunikacji, które zastąpią elektryczność światłem. W swojej pracy z Nature Communications, zespół zaprezentował, że uzyskanie zwartych, wydajnych diod fotonicznych ma ogromne znaczenie dla umożliwienia stworzenia nowej generacji systemów fotonicznych.

    "Diody są wszechobecne w nowoczesnej elektronice, od diod LED, przez ogniwa słoneczne, po układy scalone do obliczeń i komunikacji" powiedziała prof. Jennifer Dionne, autor wspominanej publikacji. Dionne i współautor mgr Mark Lawrence, doktorant w dziedzinie nauk o materiałach i inżynierii materiałowej w na uniwersytecie Stanforda, zaprojektowali nową diodę fotoniczną i sprawdzili ten projekt za pomocą symulacji komputerowych i obliczeń.

    "Jedną z wielkich wizji jest posiadanie całkowicie optycznego komputera, w którym elektryczność zastępowana jest całkowicie światłem, a fotony sterują całym przetwarzaniem informacji” powiedział Lawrence. „Zwiększona prędkość i szerokość pasma oferowana przez światło umożliwiłyby szybsze rozwiązywanie niektórych z najtrudniejszych problemów naukowych, matematycznych i ekonomicznych".

    Główne wyzwanie, związane z diodą opartą w pełni na świetle są dwojakie - jednym z nich jest przepływ światła w tylko jednym kierunku, przezwyciężając tak zwaną symetrię odwrócenia w czasie; po drugie, światło jest znacznie trudniejsze do manipulowania niż elektryczność, ponieważ nie ma ładunku. Inni badacze wcześniej poradzili sobie z tymi wyzwaniami, przepuszczając światło przez polaryzator - który powoduje, że fale świetlne oscylują w jednym tylko kierunku - a następnie poprzez materiał krystaliczny w polu magnetycznym, który obraca polaryzację światła. Wreszcie inny polaryzator dopasowany do nowej polaryzacji wyprowadza światło z niemal idealną transmisji. Jeśli światło przepływa przez urządzenie w przeciwnym kierunku, światło nie wydostaje się.

    Lawrence opisał jednokierunkową akcję tego trzyczęściowego zestawu, znanego jako izolator Faradaya, jako podobny do pokonywania ruchomego chodnika między dwojgiem drzwi, gdzie chodnik pełni rolę pola magnetycznego. Nawet jeśli spróbujesz przejść przez ostatnie drzwi, chodnik zwykle uniemożliwia dotarcie do pierwszych drzwi.

    Wykorzystanie wiązek światła zamiast pola magnetycznego do stworzenia obrotu

    Aby uzyskać wystarczająco silny obrót płaszczyzny polaryzacji światła, tego rodzaju diody muszą być stosunkowo duże - o wiele za duże, aby zmieściły się w komputerach lub smartfonach. Alternatywnie, Dionne i Lawrence wymyślili sposób tworzenia obrotu tej płaszczyzny w krysztale za pomocą innej wiązki światła, zamiast pola magnetycznego. Wiązka ta jest spolaryzowana, tak że jej pole elektryczne wykonuje ruch spiralny, który z kolei generuje wirujące wibracje akustyczne w krysztale, które nadają mu zdolność podobne do wirowego pola magnetycznego i umożliwiają spolaryzowanie pierwszej wiązki. Aby struktura taka była zarówno niewielka, jak i wydajna, laboratorium wykorzystało nano-anteny i metamateriały.

    Naukowcy zaprojektowali układy ultracienkich dysków krzemowych, które działają parami, aby uwięzić światło i wzmocnić jego ruch spiralny, dopóki wiązka nie znajdzie wyjścia. Powoduje to zachowanie wysokiej transmisji w jednym kierunki. Po podświetleniu układu drugą wiązką, w drugim kierunku wibracje akustyczne obracają polaryzację w przeciwnym kierunku i pomagają w eliminacji światła próbującego przejść przez strukturę w drugą stronę. Teoretycznie nie ma ograniczeń co do wielkości tego systemu. Do swoich symulacji badacze wykorzystali struktury o grubości 250 nanometrów.

    Wpływ nowych technologii na obliczenia neuromorficzne

    Naukowcy są zainteresowani tym, w jaki sposób ich pomysły mogą wpłynąć na rozwój komputerów podobnych do mózgu czyli komputerów neuromorficznych. Cel ten będzie wymagał dodatkowych postępów w innych komponentach opartych na świetle, takich jak nanoskalowe źródła światła i switche do sterowania przepływem danych.

    "Nasze urządzenia nanofotoniczne mogą pomóc nam naśladować sposób działania neuronów - zapewniając obliczeniom tę samą wysoką łączność i wydajność energetyczną jak w przypadku mózgu, ale przy znacznie większych prędkościach obliczeń" powiedziała Dionne. Lawrence dodaje z kolei "Nie znaleźliśmy granic klasycznego lub kwantowego przetwarzania optycznego i przetwarzania informacji optycznych. Pewnego dnia moglibyśmy mieć układ optyczny, który robi wszystko, co robi obecnie elektronika i nie tylko".

    Na temat postępów w zakresie materiałów optoelektronicznych posłuchać można także na anglojęzycznym podcaście EETimes on Air, pod tym linkiem.

    Źrodło: https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1334989#

    Fajne! Ranking DIY
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9365 postów o ocenie 6950, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • IGE-XAO